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Le Midwest américain alimentera un monde qui se réchauffe. Mais pour combien de temps ?
La hausse des températures mettra en danger la ceinture de maïs américaine, une source clé de calories pour la population mondiale croissante.
24 avril 2019
Photo de plants de maïs cultivés à l'intérieur Catherine Gamble
C'est un matin de mars très froid à Ames, dans l'Iowa, et les vastes champs de maïs à l'extérieur de la ville sont ensevelis sous quelques centimètres de glace et de neige. Mais il fait chaud et humide à l'intérieur des chambres de culture construites sur mesure sur le campus de l'Iowa State University.
Des lumières aveuglantes s'abattaient sur un trio de carrés, chacun contenant près de 7 000 livres (3 175 kilogrammes) de sol, enfoncé à cinq pieds (1,5 mètre) dans le sol. Le roulement régulier des ventilateurs, assurant la circulation de l'air et des températures uniformes dans toute la pièce, résonne sur les murs. Tous les quelques centimètres, une série de thermomètres infrarouges et de capteurs d'humidité suivent les microclimats entourant les feuilles des plantes.
Cette histoire faisait partie de notre numéro de mai 2019
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À l'intérieur de ces chambres de croissance, c'est l'avenir. Et Jerry Hatfield, un agronome affable qui dirige le Laboratoire national pour l'agriculture et l'environnement du département américain de l'Agriculture, n'aime pas ce qu'il voit.
Soit nous allons changer les cultures que nous produisons, soit nous allons devoir réfléchir à la façon dont nous manipulons génétiquement cette plante pour avoir une plus grande tolérance à des températures plus élevées.
Il y a trois ans, Hatfield a utilisé les chambres de croissance pour découvrir comment les cultures locales se comporteraient sous les températures prévues pour la région en 2100, qui devraient augmenter d'environ 4 °C en moyenne, soit environ 7,2 °F. Il a simulé une saison de croissance, du 1er avril au 30 octobre, pour trois différentes souches de maïs utilisées par les agriculteurs de la région. Dans une chambre, Hatfield a commencé la température à environ 50 ° F (10 ° C) pour imiter les conditions début avril, l'a élevée bien au-dessus de 100 ° F (38 ° C) pour simuler les chaudes journées d'été (jusqu'à 114 ° C). F dans la chambre avec 2100 conditions), puis l'a redescendu pour l'automne. Dans une deuxième chambre, il a simulé les normes climatiques actuelles et plus fraîches de la région.
Les différences entre les plantes dans les deux chambres étaient frappantes. Alors que les feuilles avaient la même apparence, l'impact de ces 7,2 °F supplémentaires était bien pire que prévu par la littérature scientifique, même la plus pessimiste. Le nombre de grains de maïs par plant a chuté, dans certains cas de 84 %. Certaines plantes n'ont produit aucun grain.
À l'intérieur des chambres de croissance comme celle-ci, les plantes seront cultivées dans des conditions simulées. Catherine Gamble
Ce n'était que le premier d'une série de résultats alarmants. Dans les mois qui ont suivi, Hatfield et ses collègues ont simulé la hausse des températures et la modification des régimes de précipitations qui devraient frapper les champs de blé de Salina, au Kansas, dès 2050. Les rendements ont chuté jusqu'à 30 % avec de faibles précipitations et jusqu'à 70 % avec la combinaison de températures élevées et de faibles précipitations attendues dans les décennies à venir.
À ce jour, il a été relativement facile pour les agriculteurs américains d'ignorer le changement climatique. Après tout, selon les modèles les plus optimistes, les rendements américains projetés pour le maïs et le soja, qui sont cultivés sur 75 % des terres arables du Midwest, devraient en fait augmenter jusqu'en 2050, grâce à un temps plus chaud qui profitera au nord relativement frais. climats. Mais après cela, si Hatfield a raison, les rendements tomberont d'une falaise, dévastant les agriculteurs et laissant une grande partie du monde plus affamée.
D'ici 2050, la population mondiale devrait atteindre 9,7 milliards. Alors que les niveaux de vie et les régimes alimentaires s'améliorent également dans le monde, la production alimentaire devra augmenter de 50 % à un moment où le changement climatique rendra l'Afrique subsaharienne et l'Asie de l'Est incapables de répondre à leurs propres besoins sans importations. Le maïs et le soja américains représentent déjà 17 % de la production calorique mondiale. L'Organisation des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture prévoit que les exportations américaines de maïs doivent presque tripler d'ici 2050 pour combler le déficit, tandis que les exportations américaines de soja devraient augmenter de plus de 50 %. Toute cette nourriture supplémentaire doit être cultivée sans utiliser beaucoup plus de terres. Cela signifie que tout sera une question de rendement - la productivité de la culture.
Et c'est ce qui inquiète Hatfield. Un nombre croissant de publications scientifiques suggèrent que le changement climatique est susceptible de décimer les rendements à moins que nous ne trouvions de nouvelles façons d'aider les plantes à faire face aux sécheresses, aux vastes fluctuations de température et à d'autres conditions météorologiques extrêmes qui deviendront probablement monnaie courante dans les décennies à venir.
Si rien n'est fait, nous verrons des baisses importantes de la production dans de vastes zones de la ceinture de maïs et des Grandes Plaines, a déclaré Hatfield. Soit nous allons changer les cultures que nous produisons, soit nous allons devoir réfléchir à la façon dont nous manipulons génétiquement cette plante pour avoir une plus grande tolérance à des températures plus élevées.
La fin de Boucle d'or
Il y a, bien sûr, un anneau familier aux sombres prédictions. Au début des années 1970, les dirigeants mondiaux craignaient tellement que la croissance démographique, l'augmentation de la pollution et la flambée des prix des denrées alimentaires ne créent une crise alimentaire aiguë à l'aube du XXIe siècle que l'ONU a convoqué une conférence à Rome. Le temps presse, ont déclaré les États membres après la conférence, en 1975. Une action urgente et soutenue est vitale.
Dans les années qui ont suivi, cependant, les cultures à haut rendement, une utilisation plus large de l'irrigation, la mécanisation agricole et l'introduction d'engrais et de pesticides synthétiques ont conduit à une révolution verte, augmentant considérablement la production agricole dans de nombreux endroits du monde.
Maintenant, le rythme de la croissance a commencé à ralentir. L'eau manque dans de nombreuses régions, ce qui limite l'expansion de l'irrigation. Et il est difficile d'imaginer utiliser encore plus d'engrais et de pesticides. C'est déjà une question ouverte de savoir si nous serons capables de continuer à inventer ces nouvelles technologies et pratiques de gestion qui permettent à la productivité de faire plus que suivre la demande, déclare Marshall Burke, un économiste de Stanford qui se concentre sur le changement climatique. Mais le climat va certainement rendre cela beaucoup plus difficile.
De plus, le réchauffement climatique fait déjà sentir ses effets. En 2011, l'économiste Wolfram Schlenker de l'Université de Columbia et l'écologiste de Stanford David Lobell ont examiné ce qui est arrivé aux rendements des cultures lorsque les températures ont augmenté entre 1980 et 2008. Ils ont constaté que la production mondiale de maïs (hors États-Unis) avait chuté de 3,8 % et la production de blé de 5,5 % par rapport à ce qu'il aurait été autrement. L'augmentation des journées et des nuits chaudes explique environ la moitié de toute la variation du rendement du maïs. Des températures plus élevées aident jusqu'à un certain point, entre environ 50 ° F et 84 ° F, mais plus chaudes que cela et les rendements chutent.
Pour avoir une idée de ce que tout cela pourrait faire aux prix alimentaires mondiaux, Schlenker suggère de regarder ce qui s'est passé en 2012, la dernière fois que le Midwest américain a connu un été avec des températures comparables à ce que les climatologues prévoient de devenir la norme d'ici la fin du siècle. . La production de maïs de la région a chuté de 25 % et celle de soja de 10 %. Cela représente une baisse d'environ 4 à 5 % de la production calorique mondiale totale, des conditions dans lesquelles nous pouvons nous attendre à ce que les prix des denrées alimentaires grimpent jusqu'à 30 %, dit-il.
Les plantes dans la chambre seront surveillées de près par une série de capteurs. Les scientifiques de l'USDA mesurent le comportement de chaque plante dans des conditions variées. Catherine Gamble
Malgré quelques mauvaises années, cependant, les agriculteurs du Midwest ont connu une augmentation de la productivité pendant des décennies, masquant les inquiétudes quant à l'avenir. Il existe une zone Goldilocks pour la température, l'humidité et les précipitations, et le changement climatique a, pour la plupart, poussé le centre des États-Unis plus loin, explique Gene Takle, ancien directeur de longue date du programme de science climatique de l'État de l'Iowa. Le changement le plus important dans l'Iowa à ce jour a été l'augmentation des précipitations en avril, mai et juin - elles ont augmenté de près de 25 % au cours des trois dernières décennies. Cette pluie supplémentaire, causée par l'interaction des modèles de vent avec le réchauffement des eaux dans le golfe du Mexique, a forcé les agriculteurs à dépenser plus d'argent sur des tuyaux de drainage et autres pour s'adapter, et a décalé la saison de plantation. Mais le résultat combiné des progrès technologiques et d'un climat plus favorable est que les rendements ont augmenté de 28 % dans tout le Midwest. Il y a un assez bon accord sur le fait que le changement climatique a été favorable à l'agriculture jusqu'à présent, dit Takle.
Ces tendances s'inverseront cependant; là où les experts ne sont pas d'accord, c'est sur le moment précis. Takle cite un modèle montrant que la tendance positive de la productivité se renversera d'ici 2035, annulant tous les gains observés depuis 1981. Et les rendements ne feront que continuer à baisser à partir de là. Nous sommes sur le point en ce moment, dit-il.
Un jour récent, il a poussé un morceau de papier sur une table. Il était plein de graphiques colorés et de puces, détaillant l'impact du changement climatique à ce jour sur l'agriculture locale, avec les points positifs en vert et les points négatifs en rouge. Parmi les points rouges : davantage de ravageurs ont survécu à l'hiver et les sols gorgés d'eau ont réduit le nombre de jours où les agriculteurs pouvaient travailler les champs. (En 2013, le nord-ouest de l'Iowa comptait 700 000 acres - 283 000 hectares - qui ne pouvaient pas être plantés pour cette raison.) Mais il y avait aussi beaucoup de verdure.
Puis il a tourné la page pour montrer à quoi ressembleraient les choses en 2050. Il n'y avait pas de vert sur cette page, seulement une longue liste de rouges. Les pluies printanières intenses rendront plus difficile le travail sur le terrain au début de la saison, s'attend à ce que Takle. Il y aura plus d'inondations; le jour le plus chaud sera de 7 ° F plus chaud. Une année sur deux verra au moins une période de cinq jours pendant laquelle la chaleur extrême entraînera l'échec de la pollinisation du maïs et du soja et la croissance végétative s'arrêtera.
Nous avons beaucoup de problèmes à descendre le brochet, dit-il.
Nouvelle génétique
Le travail de Hatfield, l'agronome de l'USDA, consiste à surveiller l'impact des conditions environnementales sur les agriculteurs du pays et à identifier les solutions potentielles. Assis dans son bureau un jour récent, il a coché une longue liste de soucis. La punaise marbrée est apparue aux États-Unis à la fin des années 1990 et, à mesure que les températures augmenteront au cours des 30 prochaines années, son aire de répartition s'étendra jusqu'au Canada, endommageant un large éventail de cultures. L'amarante de Palmer, une adventice résistante aux herbicides qui vit dans des microclimats particuliers et qui menaçait jusqu'à présent principalement les cultures de soja et de coton dans le Sud, va également se propager vers le nord et devenir omniprésente.
Ensuite, il y a la salinité croissante des sols dans le Dakota du Nord et du Sud, qui pourrait retirer d'importantes étendues de terre de la rotation en moins d'une décennie si les tendances actuelles se poursuivent sans relâche. Le problème est que, grâce au changement climatique et à l'évolution des incitations financières, les agriculteurs des Dakotas qui cultivaient traditionnellement du blé, des betteraves à sucre, du foin et du canola en rotation se tournent de plus en plus vers le maïs et le soja. Mais les nouvelles cultures sont mal adaptées aux premiers printemps humides des Dakotas, ce qui permet à la nappe phréatique de remonter et de s'évaporer, laissant derrière elle du sel qui endommage le sol.
La plus grande inquiétude est de savoir ce que le changement climatique fera aux rendements des cultures dans le grenier américain dans les décennies à venir. Hatfield est devenu convaincu qu'aucune solution politique ou changement dans les pratiques de gestion ne suffira à lui seul à surmonter les limites naturelles des plantes et les conditions météorologiques extrêmes à venir. C'est pourquoi il a décidé de se tourner vers la génétique de pointe.
Dans les mois à venir, Hatfield prévoit de répéter son expérience en simulant les futures saisons de croissance. Mais cette fois, il examinera précisément comment les conditions affectent les gènes activés et désactivés dans le maïs et le blé. L'espoir est d'identifier des moyens de contrôler ces commutateurs au niveau moléculaire pour aider les plantes à s'adapter aux conditions auxquelles elles seront confrontées.
C'est le début des travaux sur le maïs, le blé et le soja. Mais dans d'autres cultures, les sélectionneurs ont identifié des adaptations et les ont exploitées pour résoudre les défis posés par le changement climatique. Certaines des plus réussies ont été observées dans les régions rizicoles du monde.
Le riz peut tolérer un certain degré d'inondation – peut en fait en bénéficier, car l'inondation peut tuer les mauvaises herbes. Tant que les tiges de riz sont en partie au-dessus de l'eau, les plantes peuvent absorber l'air dont elles ont besoin. Mais si les sommets des plantes sont submergés, ils peuvent suffoquer.
Vous voulez manger à l'avenir ? C'est ce qui est en jeu. Mais nous allons devoir le découvrir, car nous n'avons pas d'autre choix.
En 2006, des chercheurs ont cloné un gène appelé Sous-1 dans une souche de riz sud-asiatique locale. Le gène confère au riz une tolérance à la submersion. Lorsque la plante est sous l'eau, le gène est activé et met la plante en animation suspendue. Le gène s'éteint dès que le sommet de la pousse de riz revient au-dessus de l'eau. Contrairement à certains traits qui augmentent la tolérance au stress, le Sous-1 Le gène ne semble pas réduire de manière significative les rendements lorsqu'il n'y a pas d'inondations - et lorsqu'il y en a, la plante reprend ensuite sa croissance avec une vigueur supplémentaire, explique Susan McCouch, professeur de sélection végétale et de génétique à l'Université Cornell.
En 2009, l'Institut international de recherche sur le riz a intégré le trait dans huit variétés de riz et a commencé à les distribuer aux agriculteurs. Il est aujourd'hui utilisé par 10 millions d'agriculteurs, sur environ 10 millions d'hectares de terres.
Catherine Gamble
Envie de manger?
Bien que rien de comparable à la résistance à l'eau du riz n'ait encore été trouvé pour le maïs, les sociétés semencières commerciales sélectionnent des souches résistantes à la sécheresse depuis plus d'une décennie. Robert Reiter, responsable de la R&D de la division phytotechnie de Bayer, explique comment l'entreprise recherche des races résistantes. Tout d'abord, il numérise les informations sur les séquences d'ADN et répertorie les traits connus de plusieurs millions de lignées de plantes. En utilisant les données, il forme ensuite des algorithmes d'apprentissage automatique pour cribler des millions d'autres souches pour des traits utiles.
Par exemple, Bayer a sélectionné des caractéristiques provenant de souches tolérantes à la chaleur et résistantes à la sécheresse au Mexique en souches à haut rendement adaptées au marché américain. Reiter dit que lors d'une sécheresse de 2012 dans le Midwest américain, les rendements ont plus que doublé par rapport à 1988, la dernière fois qu'une sécheresse d'une gravité comparable a frappé.
Mais la démarche a ses limites. Les plantes ne peuvent tolérer qu'un certain niveau de stress, et le moment est un facteur important, dit-il. Si vous avez des températures extrêmement élevées pendant le processus de floraison, vous verrez un certain impact sur le rendement… Ce que nous pouvons faire, c'est simplement essayer de minimiser l'impact.
Hatfield espère surmonter certaines de ces limitations en simulant les futures conditions de croissance. De telles simulations, espère-t-il, pourraient aider à identifier des voies génétiques inconnues que les plantes pourraient utiliser pour s'adapter aux changements futurs des conditions météorologiques et de croissance.
C'est un puzzle complexe sur lequel nous avons seulement commencé à travailler. Et Hatfield note qu'il est difficile de tenir compte de la combinaison de facteurs auxquels les agriculteurs du Midwest sont susceptibles d'être confrontés, notamment l'évolution des précipitations, la chaleur extrême, les variations météorologiques spectaculaires, toute une série de nouveaux ravageurs et peut-être des défis que nous n'avons même pas encore anticipés. Mais il sait clairement pourquoi il le fait.
Vous voulez manger à l'avenir ? il dit. C'est ce qui est en jeu. Mais nous allons devoir le découvrir, car nous n'avons pas d'autre choix.